專利名稱：大容量直驅(qū)型多層定轉(zhuǎn)子永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種大容量直接驅(qū)動(dòng)型多層定轉(zhuǎn)子永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)，屬于發(fā)電機(jī)制造的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
風(fēng)能作為一種潔凈的可再生能源，隨著技術(shù)逐步成熟，今后的運(yùn)行成本會(huì)低于水電和火電，發(fā)展前景非常廣闊。風(fēng)力發(fā)電機(jī)是風(fēng)能開發(fā)中至關(guān)重要的核心環(huán)節(jié)。大型風(fēng)輪機(jī)的轉(zhuǎn)速低至幾十轉(zhuǎn)甚至十幾轉(zhuǎn)，所以不得不借助于升速齒輪箱，才能通過普通轉(zhuǎn)速的發(fā)電機(jī)發(fā)出工頻的交流電。由于風(fēng)機(jī)安裝在野外高空幾十米處，經(jīng)受酷暑嚴(yán)冬，環(huán)境條件苛刻，升速齒輪箱工況嚴(yán)酷、造價(jià)高昂、維護(hù)保養(yǎng)工作量大，是目前MW級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中過載和過早損壞率較高的部件，成為制約風(fēng)力發(fā)電經(jīng)濟(jì)性的瓶頸。為此，各國(guó)瞄準(zhǔn)無齒輪箱的多極風(fēng)力發(fā)電機(jī)，加以開發(fā)研究，無齒輪箱的多極風(fēng)力發(fā)電機(jī)成為當(dāng)今發(fā)電領(lǐng)域的首選最新尖端技術(shù)。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)的低速運(yùn)行特性，要求發(fā)電機(jī)組采取多極的特殊結(jié)構(gòu)，極組需要在發(fā)電機(jī)的圓周展開，發(fā)電機(jī)直徑增大。而盤式永磁發(fā)電機(jī)由于定子空間有限，定子利用率低，限制了其在低速大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的應(yīng)用。因此，對(duì)于大型直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)還需要研究新的電機(jī)結(jié)構(gòu)以獲得較高的輸出電壓，較低的輸出電流，提高發(fā)電機(jī)運(yùn)行效率。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種定子空間大、低速高輸出電壓、低輸出電流、效率較高的大容量直接驅(qū)動(dòng)型多層定轉(zhuǎn)子永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)。
技術(shù)方案?jìng)鹘y(tǒng)的發(fā)電機(jī)由于直徑較小，電機(jī)內(nèi)部空間小，電機(jī)空間利用率不高，從而限制了電機(jī)輸出電壓。為了在低速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)獲得較高的輸出電壓，本發(fā)明采用了特殊的電機(jī)結(jié)構(gòu)，即在較大的發(fā)電機(jī)機(jī)體空間內(nèi)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要設(shè)置多層定子和轉(zhuǎn)子，定子和普通電機(jī)定子結(jié)構(gòu)類似，定子繞組串聯(lián)供電。
本發(fā)明的大容量直驅(qū)型多層定轉(zhuǎn)子永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)由多層定子和對(duì)應(yīng)的多層轉(zhuǎn)子構(gòu)成，其中，每層定子的層外定子和層內(nèi)定子分別位于定子支撐環(huán)的兩側(cè)，多層定子支撐環(huán)分別固定在定子固定支架上；每層轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子鐵心環(huán)外壁永磁體和轉(zhuǎn)子鐵心環(huán)內(nèi)壁永磁體分別位于轉(zhuǎn)子鐵心環(huán)的兩側(cè)，轉(zhuǎn)子鐵心環(huán)固定在轉(zhuǎn)子固定支架上；轉(zhuǎn)子固定支架的中心固定在轉(zhuǎn)軸上，轉(zhuǎn)軸的一端通過軸承與定子固定支架相連接，極性相異的轉(zhuǎn)子鐵心環(huán)外壁永磁體和轉(zhuǎn)子鐵心環(huán)內(nèi)壁永磁體交錯(cuò)排列分布在各層轉(zhuǎn)子鐵心環(huán)的內(nèi)外壁上。各層定子電樞繞組互相串聯(lián)，即從最外層定子開始，外層定子每相電樞繞組和相鄰的內(nèi)層定子對(duì)應(yīng)相電樞繞組首尾互相串聯(lián)連接。通過在轉(zhuǎn)子鐵心環(huán)內(nèi)外壁上粘貼永磁體，內(nèi)外壁上極性相異且交錯(cuò)排列的永磁體所形成的磁場(chǎng)通過相鄰的層外定子、層內(nèi)定子和轉(zhuǎn)子鐵心環(huán)形成串聯(lián)磁路。所述的轉(zhuǎn)子鐵心環(huán)外壁永磁體和轉(zhuǎn)子鐵心環(huán)內(nèi)壁永磁體采用釹鐵硼永磁材料制成。
各層定子固定在電機(jī)端蓋一側(cè)的定子固定支架上，轉(zhuǎn)子固定在電機(jī)端蓋另一側(cè)的轉(zhuǎn)子固定支架上。假設(shè)電機(jī)最外層定子為第一層定子，則奇數(shù)層定子齒向內(nèi)，與傳統(tǒng)外定子相似，簡(jiǎn)稱為層外定子；偶數(shù)層定子齒向外，與傳統(tǒng)電機(jī)內(nèi)定子相似，簡(jiǎn)稱為層內(nèi)定子。每層轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵心環(huán)、貼在轉(zhuǎn)子鐵心環(huán)外壁上的轉(zhuǎn)子鐵心環(huán)外壁永磁體和貼在轉(zhuǎn)子鐵心環(huán)內(nèi)壁上的轉(zhuǎn)子鐵心環(huán)內(nèi)壁永磁體構(gòu)成。轉(zhuǎn)子鐵心環(huán)通過轉(zhuǎn)子固定支架固定并和轉(zhuǎn)子固定支架連接為一個(gè)整體，并在轉(zhuǎn)子鐵心環(huán)內(nèi)外壁兩側(cè)粘貼極性相異且交錯(cuò)排列的轉(zhuǎn)子鐵心環(huán)外壁永磁體和轉(zhuǎn)子鐵心環(huán)內(nèi)壁永磁體。
假設(shè)N為自然數(shù)，則第N層轉(zhuǎn)子所對(duì)應(yīng)的定子分別為第2N-1層定子(即層外定子)和第2N層定子(即層內(nèi)定子)。第N層轉(zhuǎn)子對(duì)于第2N-1層定子為內(nèi)轉(zhuǎn)子，而對(duì)于第2N層定子則為外轉(zhuǎn)子。故每一層轉(zhuǎn)子可視為相鄰層定子，即層外定子和層內(nèi)定子共用的轉(zhuǎn)子。層外定子和層內(nèi)定子分別和相應(yīng)層的轉(zhuǎn)子鐵心環(huán)外壁永磁體和轉(zhuǎn)子鐵心環(huán)內(nèi)壁永磁體對(duì)應(yīng)。
通過在轉(zhuǎn)子鐵心環(huán)內(nèi)外壁上粘貼永磁體，內(nèi)外壁上極性相異且交錯(cuò)排列的永磁體所形成的磁場(chǎng)通過相鄰的層外定子、層內(nèi)定子和轉(zhuǎn)子鐵心環(huán)等形成串聯(lián)磁路，如附圖2所示。
有益效果由于各層定子電樞繞組串聯(lián)連接，可獲得比普通單定子轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)更高的輸出電壓，從而可降低輸出電流，減小電樞繞組線徑，減少電機(jī)損耗，提高電機(jī)效率。此外，由于電機(jī)定子槽深減小，可減少電機(jī)定子漏抗，提高氣隙磁密，從而提高電機(jī)的功率密度。
和普通單定子轉(zhuǎn)子電機(jī)相比，由于采用此特殊電機(jī)結(jié)構(gòu)，在相同直徑情況下，電機(jī)可獲得較大的輸出電壓；而在相同輸出電壓的情況下，通過各層定子電樞繞組串聯(lián)可縮小電機(jī)直徑，從而可減小機(jī)組的重量和體積，改善風(fēng)動(dòng)力特性，獲得更多的風(fēng)能。
由于發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)了直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電，免去了價(jià)格高昂且效率較低的升速齒輪箱，電機(jī)定子空間大，利用率高，在低速時(shí)可獲得較大的輸出電壓。具有無需機(jī)械變速，低速高效，結(jié)構(gòu)合理，空間利用率高，制造成本低、電機(jī)部件更趨向普通電機(jī)的特點(diǎn)。


圖1是大容量直驅(qū)型多層定轉(zhuǎn)子永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)剖面示意圖；圖2是本發(fā)明發(fā)電機(jī)內(nèi)層定子轉(zhuǎn)子磁路示意圖；以上的圖中有層外定子1，層內(nèi)定子2，轉(zhuǎn)子鐵心環(huán)3，轉(zhuǎn)子鐵心環(huán)外壁永磁體4，轉(zhuǎn)子鐵心環(huán)內(nèi)壁永磁體5，定子固定支架6，轉(zhuǎn)子固定支架7，轉(zhuǎn)軸8，軸承9，定子支撐環(huán)10。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明采用了特殊的電機(jī)結(jié)構(gòu)，即在較大的發(fā)電機(jī)機(jī)體空間內(nèi)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要設(shè)置多層定子和轉(zhuǎn)子，定子和普通外轉(zhuǎn)子內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)類似。各層定子固定在電機(jī)端蓋一側(cè)的定子固定支架6上，轉(zhuǎn)子固定在電機(jī)端蓋另一側(cè)的轉(zhuǎn)子固定支架7上。假設(shè)電機(jī)最外層定子為第一層定子，則奇數(shù)層定子齒向內(nèi)，與傳統(tǒng)外定子相似，簡(jiǎn)稱為層外定子1；偶數(shù)層定子齒向外，與傳統(tǒng)電機(jī)內(nèi)定子相似，簡(jiǎn)稱為層內(nèi)定子2。每層轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵心環(huán)3以及貼在轉(zhuǎn)子鐵心環(huán)3外壁上的轉(zhuǎn)子鐵心環(huán)外壁永磁體4和貼在轉(zhuǎn)子鐵心環(huán)3內(nèi)壁上的轉(zhuǎn)子鐵心環(huán)內(nèi)壁永磁體5構(gòu)成。
假設(shè)N為自然數(shù)，則第N層轉(zhuǎn)子所對(duì)應(yīng)的定子分別為第2N-1層定子(即層外定子1)和第2N層定子(即層內(nèi)定子2)。第N層轉(zhuǎn)子對(duì)于第2N-1層定子為內(nèi)轉(zhuǎn)子，而對(duì)于第2N層定子則為外轉(zhuǎn)子。故每一層轉(zhuǎn)子可視為相鄰層定子，即層外定子1和層內(nèi)定子2共同的轉(zhuǎn)子。層外定子1和層內(nèi)定子2分別和相應(yīng)層的轉(zhuǎn)子鐵心環(huán)外壁永磁體4和轉(zhuǎn)子鐵心環(huán)內(nèi)壁永磁體5對(duì)應(yīng)。
通過在轉(zhuǎn)子鐵心環(huán)3內(nèi)外壁上粘貼永磁體，內(nèi)外壁上極性相異且交錯(cuò)排列的永磁體所形成的磁場(chǎng)通過相鄰的層外定子1、層內(nèi)定子2和轉(zhuǎn)子鐵心環(huán)3等形成串聯(lián)磁路，如附圖2所示。該磁通路徑為轉(zhuǎn)子鐵心環(huán)外壁永磁體4、層外定子1、相鄰的轉(zhuǎn)子鐵心環(huán)外壁永磁體4、轉(zhuǎn)子鐵心環(huán)3、轉(zhuǎn)子鐵心環(huán)內(nèi)壁永磁體5、層內(nèi)定子2、相鄰的轉(zhuǎn)子鐵心環(huán)內(nèi)壁永磁體5、轉(zhuǎn)子鐵心環(huán)3，最后回到轉(zhuǎn)子鐵心環(huán)外壁永磁體4。
此外，從提高電機(jī)氣隙磁密和磁鋼的熱穩(wěn)定性考慮，選擇具有較高內(nèi)稟矯頑力的釹鐵硼永磁材料作為電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵心環(huán)外壁永磁體4和轉(zhuǎn)子鐵心環(huán)內(nèi)壁永磁體5的材料。
各層定子電樞繞組串聯(lián)連接，即從最外層定子開始，外層定子每相電樞繞組和相鄰的內(nèi)層定子對(duì)應(yīng)相電樞繞組首尾互相串聯(lián)連接，從而可獲得比傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)更高的輸出電壓。最后，使用一臺(tái)全功率變頻器將頻率變化的風(fēng)電變換為工頻電送入電網(wǎng)。
權(quán)利要求
1.一種大容量直驅(qū)型多層定轉(zhuǎn)子永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其特征在于該發(fā)電機(jī)由多層定子和對(duì)應(yīng)的多層轉(zhuǎn)子構(gòu)成，其中，每層定子的層外定子(1)和層內(nèi)定子(2)分別位于定子支撐環(huán)(10)的兩側(cè)，多層定子支撐環(huán)(10)分別固定在定子固定支架(6)上；每層轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子鐵心環(huán)外壁永磁體(4)和轉(zhuǎn)子鐵心環(huán)內(nèi)壁永磁體(5)分別位于轉(zhuǎn)子鐵心環(huán)(3)的兩側(cè)，轉(zhuǎn)子鐵心環(huán)(3)固定在轉(zhuǎn)子固定支架(7)上；轉(zhuǎn)子固定支架(7)的中心固定在轉(zhuǎn)軸(8)上，轉(zhuǎn)軸(8)的一端通過軸承(9)與定子固定支架(6)相連接，極性相異的轉(zhuǎn)子鐵心環(huán)外壁永磁體(4)和轉(zhuǎn)子鐵心環(huán)內(nèi)壁永磁體(5)交錯(cuò)排列分布在各層轉(zhuǎn)子鐵心環(huán)(3)的內(nèi)外壁上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大容量直驅(qū)型多層定轉(zhuǎn)子永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其特征在于各層定子電樞繞組互相串聯(lián)，即從最外層定子開始，外層定子每相電樞繞組和相鄰的內(nèi)層定子對(duì)應(yīng)相電樞繞組首尾互相串聯(lián)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大容量直驅(qū)型多層定轉(zhuǎn)子永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其特征在于通過在轉(zhuǎn)子鐵心環(huán)(3)內(nèi)外壁上粘貼永磁體，內(nèi)外壁上極性相異且交錯(cuò)排列的永磁體所形成的磁場(chǎng)通過相鄰的層外定子(1)、層內(nèi)定子(2)和轉(zhuǎn)子鐵心環(huán)(3)形成串聯(lián)磁路。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大容量直驅(qū)型多層定轉(zhuǎn)子永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其特征在于所述的轉(zhuǎn)子鐵心環(huán)外壁永磁體(4)和轉(zhuǎn)子鐵心環(huán)內(nèi)壁永磁體(5)采用釹鐵硼永磁材料制成。
全文摘要
大容量直接驅(qū)動(dòng)型多層定轉(zhuǎn)子永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)由多層定子和對(duì)應(yīng)的多層轉(zhuǎn)子構(gòu)成，其中，每層定子的層外定子(1)和層內(nèi)定子(2)分別位于定子支撐環(huán)(10)的兩側(cè)，多層定子支撐環(huán)分別固定在定子固定支架(6)上；每層轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子鐵心環(huán)外壁永磁體(4)和轉(zhuǎn)子鐵心環(huán)內(nèi)壁永磁體(5)分別位于轉(zhuǎn)子鐵心環(huán)(3)的兩側(cè)，轉(zhuǎn)子鐵心環(huán)固定在轉(zhuǎn)子固定支架(7)上；轉(zhuǎn)子固定支架的中心固定在轉(zhuǎn)軸(8)上，轉(zhuǎn)軸的一端通過軸承(9)與定子固定支架(6)相連接，極性相異的轉(zhuǎn)子鐵心環(huán)外壁永磁體(4)和轉(zhuǎn)子鐵心環(huán)內(nèi)壁永磁體(5)交錯(cuò)排列分布在各層轉(zhuǎn)子鐵心環(huán)(3)的內(nèi)外壁上。該電機(jī)取消了齒輪箱，提高了輸出電壓和系統(tǒng)效率，節(jié)省了系統(tǒng)總體成本。
文檔編號(hào)H02K1/27GK1805244SQ20061003784
公開日2006年7月19日 申請(qǐng)日期2006年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月17日
發(fā)明者林鶴云, 劉細(xì)平, 楊成峰 申請(qǐng)人:東南大學(xué)